基于Wi-Fi室內(nèi)定位的智能設(shè)備控制

張玲

一、背景

智能家居能夠以環(huán)境智能、遠(yuǎn)程家庭控制或家庭自動(dòng)化的形式向用戶提供服務(wù)。基于位置的服務(wù)為社會(huì)生活提供了方便，其中以室內(nèi)位置為基礎(chǔ)的服務(wù)為創(chuàng)造室內(nèi)智能環(huán)境提供重要條件。Hightower和Borriello總結(jié)了智能家居中的位置檢測技術(shù)，采用Wi-Fi實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位是其中方法之一。各廠商的智能設(shè)備使用的通信方式不一致導(dǎo)致了智能家居協(xié)議的多樣化，通過Wi-Fi搭建設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，傳遞設(shè)備控制信息可以在一定程度上解決不同品牌設(shè)備難以協(xié)同控制的難題。從2012年起，中國各大通信公司紛紛加大在室內(nèi)部署安裝Wi-Fi設(shè)備的投入，目前大部分人員密集的公共場所如高校、商場、醫(yī)院、圖書館等都配備了公共Wi-Fi，為Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)提供硬件研究基礎(chǔ)。本文研究討論基于Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)的智能設(shè)備控制。

二、技術(shù)概述

（一）區(qū)域定位模型

室內(nèi)定位技術(shù)具體應(yīng)用在智能設(shè)備控制中只需要進(jìn)行粗粒度的區(qū)域劃分，例如當(dāng)用戶進(jìn)入某區(qū)域時(shí)自動(dòng)開啟區(qū)域燈光、用戶離開家時(shí)自動(dòng)鎖門等。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，室內(nèi)定位算法模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)來源于應(yīng)用場景的實(shí)地采集，因此無法在短時(shí)間內(nèi)獲取大規(guī)模、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集。而且，智能設(shè)備控制系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有更高的要求，延遲的設(shè)備狀態(tài)調(diào)整會(huì)嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。綜合考慮各方面因素，下面對在響應(yīng)時(shí)間、準(zhǔn)確度方面有突出表現(xiàn)且對模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)量要求不高的室內(nèi)區(qū)域定位算法INOA模型進(jìn)行介紹。INOA模型與大部分Wi-Fi指紋定位模型一致，分為離線、在線兩階段。在離線階段，需要向模型提供Wi-Fi指紋信息，包含Wi-Fi信號(hào)的RSS信息和信號(hào)獲取點(diǎn)所在區(qū)域相應(yīng)的區(qū)域ID，模型接收指紋信息后首先對指紋信息進(jìn)行預(yù)處理，包括AP選擇、特征聚類以及指紋壓縮，接著利用處理過的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，并將模型訓(xùn)練參數(shù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。在在線階段，模型對用戶提供的RSS向量數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒別，并拒絕有過多丟失或噪聲的信號(hào)數(shù)據(jù)。進(jìn)入定位階段，模型會(huì)先判別用戶是否在待定位區(qū)域，如果在區(qū)域內(nèi)，則將指紋數(shù)據(jù)送入?yún)^(qū)域分類模塊進(jìn)行最終的區(qū)域分類。下面對它的區(qū)域判別和區(qū)域分類模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.區(qū)域判別

區(qū)別于傳統(tǒng)方法使用單一數(shù)據(jù)描述，INOA系統(tǒng)使用多個(gè)基學(xué)習(xí)器作為單獨(dú)的數(shù)據(jù)描述子，并將聚類信息與基學(xué)習(xí)器相關(guān)聯(lián)，然后用權(quán)重投票機(jī)制確定分類結(jié)果。通過這種構(gòu)建分類器進(jìn)行集成學(xué)習(xí)的方式，INOA可準(zhǔn)確判斷目標(biāo)是否在區(qū)域內(nèi)。

2.區(qū)域分類

INOA模型區(qū)域分類模塊利用支持向量機(jī)對其中一個(gè)分類區(qū)域進(jìn)行向量機(jī)參數(shù)優(yōu)化時(shí)，把其余區(qū)域的所有指紋作為另一個(gè)類，這樣就為每一個(gè)分類區(qū)域都構(gòu)建了一個(gè)支持向量機(jī)分類器。在在線定位階段計(jì)算待分類RSS向量屬于每一個(gè)區(qū)域的概率，選擇概率值最大的區(qū)域ID為最后的區(qū)域定位結(jié)果。

（二）智能設(shè)備通信技術(shù)

在無線通信技術(shù)中，各種通信技術(shù)均有優(yōu)缺點(diǎn)。ZIGBEE/ZWAVE無線通信技術(shù)抗干擾能力、中繼能力強(qiáng)，但中繼級(jí)數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致頻繁地出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)掉線和通信失敗。藍(lán)牙無線通信技術(shù)雖然具有功耗低、成本低的特點(diǎn)，但其傳輸距離有限，速率也不如其他主流無線通信技術(shù)。Wi-Fi無線通信技術(shù)最大的問題是安全度低、功耗大，這導(dǎo)致Wi-Fi在某些家居領(lǐng)域的應(yīng)用受限。為滿足不同類型智能設(shè)備的控制需求，許多智能設(shè)備系統(tǒng)都采用多種無線通信方式組合的方法以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備間的通信。

在實(shí)際的智能設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)中，智能設(shè)備與網(wǎng)關(guān)控制節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。為保證整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性、可拓展性、實(shí)施性，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)由主中樞、備中樞、從網(wǎng)關(guān)、盲網(wǎng)關(guān)和智能設(shè)備組成。主中樞作為家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的樞紐，搭載的設(shè)備最多、運(yùn)算量最大；主中樞網(wǎng)關(guān)通過局域網(wǎng)、藍(lán)牙等無線通信方式協(xié)同從網(wǎng)關(guān)進(jìn)行本地的場景調(diào)配；在智能設(shè)備的整個(gè)組網(wǎng)中只允許存在一個(gè)主中樞。多臺(tái)中樞網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)接入一個(gè)智能家庭，并且互相之間自動(dòng)備份；如果中樞網(wǎng)關(guān)停止工作，其他任何一臺(tái)網(wǎng)關(guān)都可作為備中樞無感自動(dòng)替換。從網(wǎng)關(guān)接受中樞網(wǎng)關(guān)調(diào)度，搭載管理部分智能設(shè)備，中樞網(wǎng)關(guān)與從網(wǎng)關(guān)協(xié)同工作的模式可以拓展組網(wǎng)、增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。盲網(wǎng)關(guān)指不能接受中樞網(wǎng)關(guān)調(diào)度的網(wǎng)關(guān)，只受智能設(shè)備廠商云端管理系統(tǒng)的調(diào)控。

（三）HomeAssistant

對智能設(shè)備的控制可以借助物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)備控制接口完成。目前市面上開源的智能家居管理平臺(tái)以HomeAssistant最為成熟。

開源家庭自動(dòng)化平臺(tái)Homeassistant區(qū)別于一般的智能設(shè)備控制應(yīng)用只能使用指定的APP對有限品牌的智能家居進(jìn)行控制，系統(tǒng)可以通過調(diào)用HomeAssistant提供的API接口實(shí)現(xiàn)對局域網(wǎng)內(nèi)的所有智能家居設(shè)備狀態(tài)查詢、狀態(tài)調(diào)整以及各種設(shè)備間的場景聯(lián)動(dòng)。HomeAssistant平臺(tái)可以運(yùn)行在多種硬件設(shè)備上，并支持大部分操作系統(tǒng)，其內(nèi)核依靠多種通信協(xié)議與智能手機(jī)、傳感器、智能家電等設(shè)備構(gòu)建聯(lián)系，開發(fā)者可以通過HTTP協(xié)議構(gòu)建個(gè)人系統(tǒng)與HomeAssistant內(nèi)核的聯(lián)系，從而請求獲取智能設(shè)備詳情、調(diào)整設(shè)備狀態(tài)等。

三、系統(tǒng)解決方案

由用戶使用的搭載Android系統(tǒng)的終端設(shè)備、搭載INOA模型的服務(wù)器、安裝HomeAssistant平臺(tái)的中樞網(wǎng)關(guān)、智能設(shè)備以及其他網(wǎng)關(guān)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對用戶的室內(nèi)定位，需要對比指紋數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與用戶實(shí)時(shí)上傳的指紋數(shù)據(jù)，因此在系統(tǒng)初始階段需要由用戶通過使用搭載Android系統(tǒng)的手機(jī)、平板電腦等智能終端采集室內(nèi)環(huán)境中的Wi-Fi指紋信息并上傳至服務(wù)器。Wi-Fi信號(hào)的采集功能依賴于Google公司提供的Android開源SDK WiFiManager包實(shí)現(xiàn)，該包向開發(fā)者提供了有關(guān)Wi-Fi管理功能的便捷接口。待指紋數(shù)據(jù)庫構(gòu)建完成后，服務(wù)器對指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行AP選擇、特征聚類、指紋壓縮等操作，以完成指紋數(shù)據(jù)預(yù)處理，接著服務(wù)器對INOA模型中的區(qū)域判別及區(qū)域分類模塊進(jìn)行訓(xùn)練，并存儲(chǔ)模型參數(shù)，至此完成系統(tǒng)準(zhǔn)備工作。進(jìn)入實(shí)時(shí)控制智能設(shè)備階段，用戶攜帶智能終端進(jìn)入室內(nèi)區(qū)域，智能終端自動(dòng)采集Wi-Fi信號(hào)數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器，服務(wù)器對接收到的指紋信息進(jìn)行預(yù)處理并判斷指紋來源區(qū)域，然后服務(wù)器結(jié)合時(shí)間、氣溫、天氣等信息判斷是否需要對相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的智能設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整，如當(dāng)用戶進(jìn)入光線昏暗區(qū)域時(shí)開啟相應(yīng)區(qū)域的燈、當(dāng)用戶所在區(qū)域溫度不適宜時(shí)開啟空調(diào)、當(dāng)用戶進(jìn)入影音區(qū)域時(shí)自動(dòng)開啟投影或音響設(shè)備等，并把設(shè)備狀態(tài)調(diào)整指令反饋至智能終端；終端接收指令后，轉(zhuǎn)發(fā)至搭載HomeAssistant平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)根據(jù)指令內(nèi)容對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整，并反饋調(diào)整結(jié)果至智能終端，至此一次由用戶室內(nèi)位置變化引發(fā)的設(shè)備狀態(tài)調(diào)整流程完成。

四、總結(jié)

利用Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)向智能設(shè)備控制系統(tǒng)提供用戶室內(nèi)位置信息，不僅可以優(yōu)化用戶體驗(yàn)，而且具有成本低、可推廣性強(qiáng)的特點(diǎn)。隨著Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展以及智能家居通信協(xié)議的完善，基于Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)的智能設(shè)備控制方法或成為智能設(shè)備控制系統(tǒng)的理想解決方案。

作者單位：北京郵電大學(xué)